Il Premio Nobel per la Chimica 2025: Cosa sono i MOF?

L'Accademia Reale Svedese delle Scienze ha assegnato il Premio Nobel per la Chimica 2025 a Susumu Kitagawa, Richard Robson e Omar M. Yaghi per la loro lungimirante ricerca sulle strutture metallo-organiche (MOF). Questi materiali rivoluzionari, con le loro enormi aree superficiali interne, le strutture dei pori regolabili e il design unitario, hanno dimostrato di essere una pietra miliare della chimica dei materiali con un uso innovativo nell'immagazzinamento dell'energia, nella decontaminazione ambientale e nell'ingegneria molecolare.

Fig. 1 Premio Nobel per la Chimica 2025

Introduzione ai MOF

I MOF sono cristalli solidi tridimensionali composti da ioni o cluster metallici coordinati con ligandi organici, questi ultimi producono strutture tridimensionali con architetture di pori altamente regolabili. Grazie alla sinergia di elevata area superficiale, densità luminosa e struttura elastica, i chimici possono creare strutture con dimensioni dei pori, funzionalità chimica e proprietà meccaniche prevedibili.

Alcuni MOF raggiungono un'area superficiale interna di oltre 7.000 m²/g, un ordine di grandezza superiore a quella del carbone attivo, con un potenziale ineguagliabile per l'immagazzinamento e la separazione delle molecole. La modularità dei MOF consente anche la funzionalizzazione per un'applicazione che va dalla separazione e stoccaggio dei gas alla somministrazione di farmaci e alla catalisi.

Storia e sviluppo dei MOF

La costruzione di strutture metallo-organiche (MOF) è iniziata con Richard Robson nel 1989, che per primo ha elaborato la teoria di collegare ioni di rame con un legante organico a quattro bracci per produrre una rete cristallina con cavità accuratamente definite. Questo ha aperto la strada a quello che è diventato un campo di ricerca in rapido sviluppo.

In seguito, Susumu Kitagawa ha dimostrato la versatilità dei MOF con la capacità delle strutture di alterarsi attraverso trasformazioni strutturali tali da far "respirare" le strutture a seconda delle molecole ospiti.

Omar Yaghi ha poi ampliato ulteriormente il campo con la sintesi del MOF-5, un materiale che possiede una sorprendente area superficiale di oltre 3.000 m²/g e buone capacità di assorbimento dei gas, dimostrando l'utilità pratica del materiale nelle applicazioni reali.

I loro contributi, collettivamente, hanno stabilito che i MOF sono una misteriosa famiglia di solidi cristallini porosi con possibili applicazioni e anche un interesse intrinseco.

Fig. 2 Rappresentazione schematica di importanti MOF segnalati

Metodi di sintesi dei MOF

Il metodosolvotermico rimane il più popolare per la sintesi dei MOF. In questo caso, sali metallici e ligandi organici vengono miscelati in solventi organici protici o aprotici funzionalizzati con formammide. La reazione avviene tipicamente in autoclave a una pressione superiore al punto di ebollizione del solvente, dove è consentita la crescita dei cristalli e si ottengono strutture molto ordinate. La crescita lenta dei cristalli è generalmente necessaria per ottenere grandi cristalli privi di difetti con un'area superficiale interna ottimale.

Anche se la sintesi solvotermica è convenzionale e sicura, sono emersi alcuni altri metodi per rendere le strutture dei prodotti regolabili e migliorare l'efficienza. Tecniche come la sintesi assistita da microonde, sonochemica, meccanochimica, elettrochimica e ionotermica si stanno sempre più diffondendo.

Per esempio, la sintesi meccanochimica impiega la macinazione e l'energia meccanica piuttosto che i solventi, riducendo al minimo il carico ambientale e consentendo un rapido sviluppo di strutture. È stato inoltre dimostrato che la sintesi assistita da microonde è in grado di generare MOF con cristallinità comparabile in pochi minuti anziché in ore. Tutti questi sviluppi sono importanti per la produzione su larga scala di MOF e per la determinazione di nuove architetture.

Fig. 3 Sintesi solvotermica convenzionale di strutture MOF

Potenziali applicazioni dei MOF

Le proprietà uniche dei MOF - bassa densità, elevata area superficiale, porosità regolabile e flessibilità strutturale - offrono un'enorme gamma di potenziali applicazioni:

• Stoccaggio e distribuzione di gas: I MOF hanno un valore applicativo unico nello stoccaggio di idrogeno, metano e anidride carbonica. Ad esempio, il MOF-5 adsorbe oltre il 20% di idrogeno a 77 K e 1 bar e il MOF-177 ha un adsorbimento di CO₂ superiore a 6 mmol/g a 298 K e 1 bar. Questi attributi hanno reso i MOF materiali per l'accumulo di energia pulita, come le celle a combustibile a idrogeno e le auto a metano.
• Bonifica ambientale: I MOF sono stati utilizzati per rimuovere i contaminanti dall'acqua e dall'aria. Alcuni MOF adsorbono selettivamente i PFAS ("sostanze chimiche per sempre") dalle acque reflue, mentre altri hanno affinità per l'anidride carbonica, consentendo la cattura del carbonio. Ad esempio, il Mg-MOF-74 ha capacità di adsorbimento di CO₂ fino a 8 mmol/g a condizioni ambiente, il che ne rende possibile l'applicazione nel controllo delle emissioni.
• Raccolta dell'acqua: Alcuni MOF sono in grado di raccogliere l'acqua dall'aria arida. In test sul campo in ambienti aridi, il MOF-801 a base di zirconio ha raccolto 2,8 litri di acqua per chilogrammo di MOF al giorno in condizioni di bassa umidità (20-30% di umidità relativa).
• Consegna di farmaci: Le architetture porose dei MOF consentono di incapsulare molecole terapeutiche per un rilascio controllato. In studi sperimentali, le matrici MIL-100(Fe) hanno rilasciato farmaci antitumorali con una maggiore stabilità e caratteristiche di rilascio mirato, riducendo la tossicità sistemica.
• Accumulo di energia ed elettronica: I MOF sono studiati per applicazioni in supercondensatori, batterie e catalisi. I MOF possono essere utilizzati come materiali elettrodici ad alta capacità e conducibilità o come supporti catalitici per nanoparticelle metalliche cataliticamente attive.

Questi impieghi dimostrano che i MOF non sono più una curiosità da laboratorio: stanno già dimostrando prestazioni quantificabili e reali in numerose applicazioni. La commercializzazione su scala superiore a quella del laboratorio è ancora impegnativa, ma la ricerca cerca di migliorare la stabilità, la riproducibilità e l'economia.

Fig. 4 Applicazioni nei settori dell'energia, della somministrazione di farmaci e del trattamento delle acque reflue.

Conclusione

Il Premio Nobel per la Chimica 2025 assegnato a Kitagawa, Robson e Yaghi evidenzia soprattutto la dimensione trasformativa dei MOF. Dai concetti strutturali rivoluzionari ai metodi di sintesi ad alta tecnologia e alle applicazioni future non ancora sfruttate, i MOF sono un tributo all'unione della chimica fondamentale con l'utilità pratica. Per ulteriori notizie industriali e supporto tecnologico, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Riferimenti:

1. Dey, Chandan & Kundu, Tanay & Biswal, Bishnu & Mallick, Arijit & Banerjee, Rahul. (2013). Quadri metallo-organici cristallini (MOF): sintesi, struttura e funzione. Acta Crystallographica Section B. 70. 3-10. 10.1107/S2052520613029557.
2. Ganesan, M. (n.d.). Le strutture metallo-organiche (MOF) sono a un punto di svolta commerciale? CAS Insights.
3. Raptopoulou, C. P. (2021). Strutture metallo-organiche: Metodi di sintesi e potenziali applicazioni. Materiali (Basilea), 14(2), 310. (https://doi.org/10.3390/ma14020310)
4. Sanders, R. (2025, 8 ottobre). Omar Yaghi della UC Berkeley condivide il Premio Nobel 2025 per la chimica. Berkeley News.
5. Accademia Reale Svedese delle Scienze. (2025). L'Accademia Reale Svedese delle Scienze ha deciso di assegnare il Premio Nobel per la Chimica 2025. Comunicato stampa del Premio Nobel.
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